CC BY
41
УДК 622.232
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ШАХТНОГО МАНИПУЛЯТОРА НА ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ВЫХОДНОГО ЗВЕНА
Л.В. Лукиенко, К.В. Гальченко
Представлены результаты исследования влияния конструктивных параметров звеньев шахтных манипуляторов, предназначенных для крепления горных выработок, на перемещение выходного звена.
Ключевые слова: манипулятор, крепеукладчик, тюбинг, гидродомкрат.
Механизация крепления проводимых горных выработок оказывает значительное влияние на работу щитовых проходческих комплексов. Для её выполнения до настоящего времени не разработано единого конструктивного решения, позволяющего механизировать эту операцию и снизить трудозатраты обслуживающего персонала. Этот недостаток может быть устранён применением в составе щитовых проходческих комплексов для крепления выработок манипуляторов (рис. 1), обладающих расширенной зоной обслуживания, имеющих необходимую и достаточную металлоёмкость и высокую надёжность, а также повышенную точность позиционирования доставляемого груза. Поэтому проведение научноисследовательских работ в этом направлении является актуальным.
Рис. 1. Разрез тоннелепроходческого комплекса в месте расположения крепеукладчика
Сборная чугунная обделка тоннеля представляет собой ряд соединенных в трубу широких колец, каждое из которых смонтировано из отдельных элементов — тюбингов, имеющих вид ребристой коробки, причём их дно выполнено по круговой кривой, соответствующей радиусу кольца обделки тоннеля. Тюбинг имеет два продольных борта, образующих продольные стыки, а также два поперечных борта, которые в готовой обделке образуют кольцевые стыки. Внутри тюбинга, между радиальными и кольцевыми бортами, расположены ребра жесткости. Болтовые отверстия в бортах тюбинга служат для соединения смежных тюбингов в кольцо, а колец — в обделку тоннеля.
Для выбора наиболее перспективной схемы манипулятора для крепления горных выработок проведём анализ применяемых в настоящее время в составе щитовых комплексов крепеукладчиков. Распространение получили следующие конструктивные схемы [1]: рычажный (с подъёмной опорой вала, а также с опорой вала на подвижной тележке): расчётный крутящий момент, кНм - 3,76...82, частота вращения - до 3 об/мин, наибольшее усилие при подъёме блока - до 96 кН, скорость выдвижения штанги, м/мин - 0,9...3,5, ход выдвижения штанги, мм - 280.2200, ход осевой доводки, мм - 150.170; кольцевой (на наружных опорах; на внутренних опорах); канатный; дуговой; кондукторный.
Основным недостатком используемых схем рычажных крепеуклад-чиков является ограничение зоны обслуживания плоскостью, в которой установлен манипулятор. Применение кольцевых крепеукладчиков сопряжено с возможностью возникновения больших погрешностей позиционирования из-за значительной сложности конструкции крепеукладчика.
В качестве одного из основных недостатков канатного, дугового и кондукторного крепеукладчиков можно назвать сложность их конструкции, возможность возникновения погрешностей позиционирования, а также ограниченность зоны обслуживания.
От этих недостатков свободна конструкция манипулятора, состоящая из захвата, трёх рычажных звеньев, взаимное положение которых определяется гидродомкратами, базовой плиты, распорных гидростоек, обуславливающих положение манипулятора, по отношению к почве и кровле проводимой выработки, представленная на рис. 2. Её практическое применение позволит значительно расширить зону обслуживания при простоте конструкции манипулятора.
Моделируя поведение рассматриваемой стержневой системы при помощи программы АРМ ’^п81тс1ше, (рис. 3) можно отметить, что наиболее нагруженной точкой является место закрепления гидроцилиндра, соединяющего звенья манипулятора, жёсткость конструкции в этом месте составляет 79,1 кН/мм. В точке приложения к манипулятору внешней нагрузки жёсткость конструкции равна 34 кН/мм.
Рис. 2. Принципиальная схема манипулятора (1, 2, 3, 4 - шарниры, соединяющие звенья манипулятора)
Рис. 3. Диаграмма эквивалентного напряжения и момента изгиба
При исследовании зависимости перемещения выходного звена манипулятора от положения гидроцилиндров (рис. 4) и от геометрических характеристик звеньев манипулятора были рассмотрены две конструктивные схемы трёхзвенного манипулятора, основные размеры которых представлены на рис. 4. Анализируя полученные результаты можно отметить, что увеличение длины гидроцилиндров уменьшает перемещение выходного звена.
С О I-------1 I I--------1 I--------1-------1
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
Расстояние от кинематическоц пары, соединяющей первое и второе звено
манипулятора, мм —ж - • 1 —й— 2 —о • • 3 —о— 4
Рис. 4. Зависимость максимального перемещения выходного звена от положения гидроцилиндров (1,4 - зависимость перемещения выходного звена от положения первого и второго гидроцилиндра манипулятора изображенного на схеме 2; 2,3 - зависимость перемещения выходного звена первого и второго гидроцилиндра манипулятора изображенного
на схеме 1)
На величину коэффициента запаса прочности (рис. 5)
определяющее влияние оказывает увеличение площади сечения звеньев и толщины стенки манипулятора. При этом, необходимо стремиться к обеспечению необходимой и достаточной прочности при минимальной металлоёмкости проектируемой конструкции.
Анализ зон обслуживания различных схем манипуляторов (рис. 6) позволил установить, что схема манипулятора (а) наиболее
предпочтительна из рассмотренных так как её пространство обслуживания превышает две другие схемы на 65%.
Ю Толщина стенки, мм
1 —Ж- '2—Д- '3—0—4
Рис. 5. Зависисмость коэффициента запаса прочности и перемещения выходного звена от толщины стенки. (1 - перемещение выходного звена и 2 - коэффициент запаса прочности (200*200 мм - 40 мм радиус гидроцилиндра); 3 - перемещение выходного звена и 4 - коэффициент запаса прочности (200*300 мм - 40 мм радиус гидроцилиндра))
Рис. 6. Зоны обслуживания манипуляторов
Анализ проведённых исследований [1- 8] позволил установить, что в работах [2, 3, 4, 5] представлены математические модели для определения геометрических, кинематических и позиционных параметров роботов
24
- манипуляторов. Инерционные параметры рассматриваются как сосредоточенные в точках или сечениях звена, а податливость звена представляется как упругая связь между этими массами или моментами инерции. Кроме того, разработанные модели не учитывают полностью параметров сжимаемости жидкости, податливости звеньев манипулятора и рассеяния энергии.
В работе [2] справедливо отмечено, что одной из основных задач, которые приходится решать при проектировании роботов - повышение их динамической точности. В работе [2] предпринята попытка разработать модель для исследования динамических характеристик проектируемого робота-манипулятора. Однако, двухмассовая динамическая модель, описанная в работе не отражает в полной мере распределение сил и масс в пространственных механизмах робота.
В статье [3] представлена разработанная математическая модель для описания работы манипулятора с гидроприводом, эксплуатируемого в лесной промышленности. В работе исследованы вопросы совмещения движения трёх звеньев манипулятора. Необходимо отметить, что данная модель не обладает универсальностью, так как составлена под конкретную кинематическую схему. Для учёта особенностей работы гидропривода использованы уравнения расхода рабочей жидкости, учитывающие утечки в гидросистеме. Проведённый в работе [4] анализ исследования динамики гидропривода лесных манипуляторов позволил установить, что рабочие процессы механизмов подъёма стрелы сопровождаются большими нагрузками, вызывающими значительные динамические изменения давления рабочей жидкости в переходных режимах. Захват переносимых материалов не всегда осуществляется по центру их тяжести, поэтому при остановках манипулятора в промежуточных положениях происходит раскачивание груза, которое вызывает колебательные процессы и знакопеременные напряжения в металлоконструкции, что снижает их надежность и производительность. Отказы в работе гидропривода составляют 30 % от общего количества отказов по машинам манипуляторного типа.
Представленные результаты будут использованы при проведении дальнейших исследований разработанной конструкции манипулятора для крепления горных выработок.
Список литературы
1. Бреннер В.А. Щитовые проходческие комплексы [Текст]/ В.А. Бреннер, А.Б. Жабин, М.М. Щеголевский, Ал.В. Поляков, Ан.В. Поляков// М.: Изд-во «Горная книга», 2009. 447 с.
2. Червяков Г.Г. Основы автоматизации технологических процессов [Текст]/ Г.Г. Червяков // Международный журнал фундаментальных и прикладных исследований, 2012. №9. 96 с.
3. Хуако З.А. Теоретическое описание движений звеньев гидроманипулятора без учета податливости рабочей жидкости и элементов гидропривода [Текст] / З.А. Хуако // Научный журнал КубГАУ, 2012. №80(06). 5 с.
4. Сидоров А. А. Обоснование и оптимизация параметров демпфера механизма подъема стрелы лесного манипулятора сортиментовоза [Текст] / А. А. Сидоров: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Воронеж, 2011. 16 с.
5. Воробьев Е.И. Механика промышленных роботов [Текст] / Е.И. Воробьев, А.В. Бабич, К.П Жуков, С. А. Попов, Ю.И. Семин // М.: Изд-во «Высшая школа», 1989. Том 3. 382 с.
6. Бурдаков С.Ф. Проектирование манипуляторов промышленных роботов и роботизированных комплексов [Текст]/С.Ф. Бурдаков, В.А. Дьяченко, А.Н. Тимофеев. М.: Изд-во «Высшая школа», 1986. 385 с.
7. Дитковский А.Е. Управляемое движение упругого манипулятора [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: 2001.
8. Белоусов И.Р. Методы моделирования и дистанционного управления движения роботов: автореф. дис: д-ра. техн. наук. 2001.
Лукиенко Леонид Викторович д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Техническая механика», Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д.И. Менделеева.
Гальченко Константин Викторович, аспирант, Россия, Новомосковск, НИ (ф) РХТУ им. Д. И. Менделеева
INFLUENCE OF DESIGN DATA OF THE MINE THE MANIPULATOR ON MOVEMENT OF THE OUTPUT LINK
L. V.Lukienko, K.V.Galchenko
This work presents the results of investigations of the influence of design parameters units mine manipulators for fastening the mines, on the movement of the output link.
Key words: manipulator, setting supports, tubing, hydrojack.
Lukienko Leonid Viktorovich Dr.Sci.Tech., the associate professor, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University, the manager of Technical Mechanics chair,
Galchenko Konstantin Viktorovich the post-graduate student, Russia, Novomoskovsk, The Novomoskovsk’s Institute (subdivision) of the Mendeleyev Russian Chemical-Technological University
2б
